【NTN 卫星通信】starlink LEO卫星波束成形策略

本文主要是介绍【NTN 卫星通信】starlink LEO卫星波束成形策略，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1 概述

卫星通信系统，一般都会采用波束成形技术，因为覆盖的范围很大，所以需要波束很窄，才能够使能量集中，星链也不例外。“星链”低轨道卫星在空中飞行时采用了波束形成的技术，下面来看看一些细节把。

2 波束设计

目前的LEO星座采用不同的技术，可能使用一些固定的模拟波束来覆盖地球表面的给定区域，或者可能将更窄的波束指向用户的方向。数字预编码阶段的设计独立于模拟波束，旨在最大限度地减少相邻波束之间的波束间干扰。在发射端设计波束形成码本对于保证对地球表面的覆盖、限制波束间干扰、最大化系统容量(吞吐量)以及显示与蜂窝标准的兼容性至关重要。
考虑在ku波段运行的大规模MIMO LEO卫星通信系统的下行链路。如图1(A)所示，星座中给定的低轨道卫星可以使用一组势波束覆盖一个椭圆感兴趣区域(ROI,region of interest )。因此，系统支持直接传输到多个同时在地面的移动用户终端(ut)。波束码本设计的目标是计算一组模拟波束模式或波束码本，使这组波束足迹覆盖椭球形ROI。根据活动用户的位置，将从码本中可用的一组中选择一些活动波束。传统的预编码器码本是基于离散傅立叶变换(DFT)的模拟预编码器结构，可以被认为是平面阵列的解决方案.在这种情况下，每个维度的阵列响应向量具有线性增加的相位，就像DFT矩阵中的列一样。对于dft型码本，相关的矩形网格包含一些点，这些点被多个不同的卫星波束以相同的增益覆盖。当选择其中一个波束时，其他卫星可能会产生干扰，导致信噪比(SINR)相对较小，如图1(b)所示。除了波束编码本之外，还需要波束切换技术来最大限度地提高地面特定波束点的接收信噪比。
在接下来的小节中，对信噪比的ML估计应用到
“星链”低轨道卫星。在估计信噪比的基础上，给出了星链卫星的波束切换策略。
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图1(a) A LEO satellite communication system covering an elliptical area using a predefined beam codebook. (b) Rectangular mesh covering the elliptical ROI when using the oversampled DFT beam and SINR when using the beam with maximum power for each cell.

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图2 The beam switching configuration of LEO satellites based on SNR maximization at the spot beam: (a) Rectangular mesh covering of the ground surface and different beams illuminating the spot beam (b) The reduction of the receive SNR at the spot beam due to satellite moving away and beam switching times.

3 星链波束形成策略

以下是一个对星链的波束的一个测试实验；实验装置采用固定式国家仪器(NI)通用软件无线电外设(USRP)。
2945R配备了消费级Ku天线和低噪声块(LNB)下变频器来接收Starlink信号
在ku波段。采样率设置为2.5 MHz，载波频率设置为11.325 GHz，是其中之一，这是星链下行频率。
图3显示了六颗星链卫星经过的估计多普勒、归一化信噪比和天空图。对于每一个卫星，正如预期的那样，可以观测到多个峰，每个峰对应一个波束。增加和减少峰的行为表明卫星是在靠近还是在远离。此外，波束切换的影响维持最大信噪比可以在估计的接收信噪比中观察到。接收信噪比达到最大值时，星链LEO SV 3正从接收机上方经过。
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图3: Estimated SNRs and Doppler frequencies of six Starlink satellites: Each satellite illuminates the spot beam of interest with different beams. The maximum SNR occurs when SV 3 is passing above the receiver.

图4显示了Starlink LEO SVs的轨迹和波束切换发生的位置。也可以看出卫星在某一特定时刻停止覆盖该地区。
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图4: Sky plot of the Starlink SV3 and the beam switch schedule for the spot beam of interest: (a) The satellite’s trajectory and the time instants at which the beam is switched is demonstrated which shows that the spot beam is illuminated around 30 seconds by each beam.

图5为Starlink LEO SV 3在不同波束照射点波束时对应的信噪比变化（接收器已定位）。
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图 5: The receive SNR corresponding to Starlink SV 3 shows that the satellite is approaching around t = 450 s and moving away from this time instant. It is also observed that the beam is ended at around t = 4

4 总结分析

1、Starlink采用的凝视波束，波束指向某个位置，每个波束覆盖持续时间大概25s-30s，这个时间是相对来讲是比较长的，也就是说波束的切换时间比较长，这意味着starlink的波束并不是很多，波束的波宽应该比较大，每个波束覆盖的范围应该比较大，造成波束增益会相对较小，当然这个实验可能是较早的starlink版本，最新的版本的波束情况未知；这个实验从文章时间来看，应该是2022年的，距离现在应该有一小段距离了。
2、starlink每颗卫星服务终端的时间大概100-200s，感觉小区切换也会比较频繁，当然这个与卫星的速度有关，预计基于3GPP的NTN的单个小区服务时间大致也会在这个级别。
3、starlink的波束波宽较大，说明starlink的天线通道数或者阵子数并不是很多，具体原因未知，可能是更多通道的massiveMIMO需要更大的天线面积与功耗，具体这个点，我觉得starlink在技术上并不比国内的厂商有优势；starlink的优势是已经有商用的网络在天上，我理解后续的版本应该会加强天线以及波束的设计。